(57)【要約】【課題】  活性層のバンドギャップエネルギがＡｌＮ組成比２０％のＡｌＧａＮと同等以上となる短波長発光可能なＰＩＮ接合構造のＧａＮ系窒化物半導体多層膜を備えた窒化物半導体発光素子を提供する。【解決手段】  ＧａＮ系窒化物半導体からなるｐ型クラッド層２１と活性層２３と活性層２３より高バンドギャップエネルギのｎ型クラッド層２５を含むＰＩＮ型接合構造のＧａＮ系窒化物半導体多層膜２０を備え、活性層２３が、ＡｌＮ組成比２０％以上のｉ型ＡｌＧａＮまたは同等のバンドギャップエネルギを有するｉ型ＡｌＧａＩｎＮまたはｉ型の超格子構造多層膜であり、ｎ型クラッド層２５の活性層２３とは反対側の全面または一部に、ＡｌＮ組成比２０％以下のｎ型ＡｌＧａＮまたは同等のバンドギャップエネルギを有するｎ型ＡｌＧａＩｎＮからなる膜厚５０ｎｍ以下のｎ型コンタクト層２６を備えてなり、発光した光がｎ型クラッド層２５側から出射する。【選択図】        図１
2006245162.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一般式ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮで表されるＧａＮ系窒化物半導体からなるｐ型クラッド層と活性層と前記活性層より高バンドギャップエネルギのｎ型クラッド層を含むＰＩＮ型接合構造の発光機能を有するＧａＮ系窒化物半導体多層膜を備え、
前記活性層が、ＡｌＮ組成比２０％以上のｉ型ＡｌＧａＮまたは同等のバンドギャップエネルギを有するｉ型ＡｌＧａＩｎＮまたはｉ型の超格子構造多層膜であり、
前記ｎ型クラッド層の前記活性層とは反対側の全面または一部に、ＡｌＮ組成比２０％以下のｎ型ＡｌＧａＮまたは同等のバンドギャップエネルギを有するｎ型ＡｌＧａＩｎＮからなる膜厚５０ｎｍ以下のｎ型コンタクト層を備えてなり、
発光した光が前記ｎ型クラッド層側から出射することを特徴とする窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
前記ｐ型クラッド層の前記活性層とは反対側の全面または一部に、ＡｌＮ組成比１０％以下のｐ型ＡｌＧａＮまたは同等のバンドギャップエネルギを有するｐ型ＡｌＧａＩｎＮからなる膜厚５０ｎｍ以上のｐ型コンタクト層を備えてなることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項３】
前記ｎ型クラッド層が、ＡｌＮ組成比２５％以上のｎ型ＡｌＧａＮまたは同等のバンドギャップエネルギを有するｎ型ＡｌＧａＩｎＮまたはｎ型の超格子構造多層膜であり、
前記ｐ型クラッド層が、前記活性層より高バンドギャップエネルギで、ＡｌＮ組成比２５％以上のｐ型ＡｌＧａＮまたは同等のバンドギャップエネルギを有するｐ型ＡｌＧａＩｎＮまたはｐ型の超格子構造多層膜であることを特徴とする請求項１または２に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
前記活性層と前記ｎ型クラッド層の間にｎ型電子バリア層を備え、
前記ｎ型電子バリア層のバンドギャップエネルギが、前記ｎ型クラッド層のバンドギャップエネルギより高いことを特徴とする請求項３に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
前記活性層と前記ｐ型クラッド層の間にｐ型電子バリア層を備え、
前記ｐ型電子バリア層のバンドギャップエネルギが、前記ｐ型クラッド層のバンドギャップエネルギより高いことを特徴とする請求項３または４に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項６】
前記ｎ型コンタクト層がｎ型ＧａＮからなることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項７】
前記ｎ型コンタクト層のバンドギャップエネルギがＡｌＮ組成比１０％のｎ型ＡｌＧａＮのバンドギャップエネルギより低い場合、膜厚が２５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項８】
前記ｎ型コンタクト層の一部に開口部を設けてあることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項９】
前記ｎ型コンタクト層の前記開口部は、前記ｎ型コンタクト層の一部をドライエッチングにより除去して形成されていることを特徴とする請求項８に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１０】
前記開口部を有する前記ｎ型コンタクト層は、前記ｎ型クラッド層上に形成された誘電体膜の前記開口部以外の部分を除去してパターニングし、前記パターニング後の前記誘電体膜をマスクパターンとして前記ｎ型クラッド層上に選択成長により形成されていることを特徴とする請求項８に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１１】
前記ｎ型コンタクト層は、前記ｎ型クラッド層の前記活性層とは反対側の一部であって、前記ｎ型クラッド層の発光した光を出射する領域の周囲に形成されていることを特徴とする請求項１〜１０の何れか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１２】
前記活性層、前記ｎ型クラッド層、及び、前記ｎ型コンタクト層は、前記ｐ型クラッド層を含むｐ型ＧａＮ系窒化物半導体が単結晶基板上に成長させた後に、一旦反応室内から取り出して、前記反応室及び前記反応室に至る配管内に残留する前記ｐ型ＧａＮ系窒化物半導体の形成に使用されたｐ型不純物を除去してから再成長され形成されていることを特徴とする請求項１〜１１の何れか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光機能を有する一般式ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮで表されるＧａＮ系窒化物半導体の多層膜を備えた窒化物半導体発光素子に関し、より具体的には、窒化物半導体発光素子のｎ型電極の形成技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮ系化合物半導体（一般式：ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ）は直接遷移型のエネルギバンド構造を有し、そのバンドギャップエネルギが室温で１．９ｅＶ〜６．２ｅＶに及ぶワイドバンドギャップであるため、紫外域から可視光域をカバーする発光ダイオード、及び、レーザダイオード等の発光素子として広範な応用が可能である。
【０００３】
従来、ＰＩＮ接合構造のＧａＮ系窒化物半導体多層膜を備えた発光素子では、図５に示すように、各層の導電型が基板側からＮＩＰの順番に形成されているものが一般的であった（例えば、下記特許文献１、特許文献２及び非特許文献１等に開示されている発光ダイオード等）。発光ダイオードの場合、図５に示すように、ＧａＮ活性層４３の上に直接或いはｐ型電子バリア層４４を介してｐ型ＡｌＧａＮクラッド層４５とｐ型ＧａＮコンタクト層４６が順次積層され、ｐ型ＧａＮコンタクト層４６の上にｐ型ＧａＮコンタクト層４６とオーミック接触するｐ型電極４７が形成されている。そして、活性層４３においてそのバンドギャップエネルギに対応する波長で発光した光は、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層４５とｐ型ＧａＮコンタクト層４６を通過して外部に出射する。ここで、ｐ型電極４７は、発光波長に対して透明電極となる材料を用いるか、或いは、出射光を部分的に透過可能なようにメッシュ状電極に加工される。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−６９７０号公報
【特許文献２】特開２００３−５１６１３号公報
【非特許文献１】Ｓ．  Ｋａｍｉｙａｍａ，他，”ＵＶ  Ｌｉｇｈｔ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ  Ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ  ｏｎ  Ｈｅｔｅｒｏ−ＥＬＯ−Ｇｒｏｗｎ  Ａｌ０．２２Ｇａ０．７８Ｎ  ｗｉｔｈ  Ｌｏｗ  Ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ  Ｄｅｎｓｉｔｙ”，ｐｈｙｓｉｃａ  ｓｔａｔｕｓ  ｓｏｌｉｄｉ（ａ）  １９２，  Ｎｏ．２，２９６−３００，２００２年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
各層の導電型が基板側からＮＩＰの順番に形成されたＰＩＮ接合構造のＧａＮ系窒化物半導体多層膜を備えた発光素子では、ｐ型コンタクト層側から光の出射を行うため、ｐ型コンタクト層のバンドギャップエネルギが活性層より低いと、ｐ型コンタクト層で出射光の吸収が生じるため、ｐ型コンタクト層のバンドギャップエネルギを活性層と同等またはそれ以上にする必要が生じるが、ｐ型コンタクト層のＡｌＮ組成比（モル分率）が１０％を超えるとｐ型電極金属との間で良好なオーミック接触ができないという問題が生じる。つまり、活性層のバンドギャップエネルギ、即ちＡｌＮ組成比をあまり高く設定できないことになり、短波長の発光が不可能になる。
【０００６】
そこで、ｐ型コンタクト層のバンドギャップエネルギを活性層より低くしてＡｌＮ組成比を１０％以下に抑え、ｐ型コンタクト層での出射光の吸収の程度を抑制するために膜厚を薄くすることが考えられる。しかし、ｐ型コンタクト層の膜厚を薄くすると、ｐ型コンタクト層が高抵抗化するため、その下層側のｐ型ＡｌＧａＮ層を低抵抗化する必要が生じるが、発光素子の場合は、ｐ型ＡｌＧａＮ層のＡｌＮ組成比は活性層より７％程度以上高くする必要があり、短波長の発光においては、ｐ型ＡｌＧａＮ層のＡｌＮ組成比は発光波長に応じて高く設定する必要が生じる。ｐ型ＡｌＧａＮ層では、ＡｌＮ組成比が高くなるにつれてアクセプタ準位が深くなり、一般にアクセプタ準位が深くなると同じ不純物濃度でも正孔キャリア密度が低くなるため、例えば、ｐ型不純物としてＭｇを使用した場合にＡｌＮ組成比が２０％以上のＧａＮ系窒化物半導体では、十分なｐ型活性化（低抵抗化）が困難になる。特に、発光素子では、ＰＩＮ型接合間に電流を流して発光現象を励起することから、ｐ型ＡｌＧａＮ層とｐ型コンタクト層の高抵抗化により発熱の問題が生じる。
【０００７】
以上の説明より、各層の導電型が基板側からＮＩＰの順番に形成されたＰＩＮ接合構造のＧａＮ系窒化物半導体多層膜を備えた発光素子で、発光した光をｐ型ＡｌＧａＮ層側から出射させる場合は、活性層のバンドギャップエネルギをＧａＮのバンドギャップエネルギよりあまり大きくできず、短波長の発光が困難な状況にある。そこで、上記問題の解決策として、発光した光を、ｎ型ＡｌＧａＮ層側から出射させることが考えられる。
【０００８】
ｎ型ＡｌＧａＮ層側から発光した光を出射させる一方法として、基板上にＰＩＮ接合構造のＧａＮ系窒化物半導体多層膜を各層の導電型が基板側からＰＩＮの順番に成長させ、活性層の上にｎ型ＡｌＧａＮクラッド層を配置する方法がある。通常、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層のＡｌＮ組成比は活性層より７％程度以上高いため、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層を通過して発光した光が出射しても、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層で大きな吸収損失は生じない。しかしながら、発光波長の短波長化のために活性層のＡｌＮ組成比を２０％以上に高くすると、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層のＡｌＮ組成比も２５％を超えて高くする必要が生じる。一般にｎ型ＡｌＧａＮは、ｐ型ＡｌＧａＮに比較してＡｌＮ組成比が高くてもｎ型電極とのオーミック接触が可能であるが、ＡｌＮ組成比が高くなるとｎ型活性化の程度が弱まり高抵抗化するため、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層の膜厚を厚くする必要が生じる。ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層の膜厚を厚くすると、ｎ型不純物であるＳｉドーピング準位によりｎ型ＡｌＧａＮクラッド層のＡｌＮ組成比で定まる吸収波長の長波長端より長波長側に弱い感度特性が生じるため、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層のＡｌＮ組成比が活性層より高くてもある程度の吸収損失が生じ、膜厚が厚くなればより顕著となる。
【０００９】
ｎ型ＡｌＧａＮ層側から発光した光を出射させる他の方法として、基板上に下地半導体層を成長させ、その上にＰＩＮ接合構造のＧａＮ系窒化物半導体多層膜を各層の導電型が基板側からＮＩＰの順番に成長させた後、基板と下地半導体層をｎ型ＡｌＧａＮ層が露出するまで剥離する方法が考えられるが、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層における吸収損失の問題は上記方法の場合と同様である。
【００１０】
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、活性層のバンドギャップエネルギがＡｌＮ組成比２０％のＡｌＧａＮと同等以上となる短波長発光可能なＰＩＮ接合構造のＧａＮ系窒化物半導体多層膜を備えた窒化物半導体発光素子を提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するための本発明に係る窒化物半導体発光素子は、一般式ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮで表されるＧａＮ系窒化物半導体からなるｐ型クラッド層と活性層と前記活性層より高バンドギャップエネルギのｎ型クラッド層を含むＰＩＮ型接合構造の発光機能を有するＧａＮ系窒化物半導体多層膜を備え、前記活性層が、ＡｌＮ組成比２０％以上のｉ型ＡｌＧａＮまたは同等のバンドギャップエネルギを有するｉ型ＡｌＧａＩｎＮまたはｉ型の超格子構造多層膜であり、前記ｎ型クラッド層の前記活性層とは反対側の全面または一部に、ＡｌＮ組成比２０％以下のｎ型ＡｌＧａＮまたは同等のバンドギャップエネルギを有するｎ型ＡｌＧａＩｎＮからなる膜厚５０ｎｍ以下のｎ型コンタクト層を備えてなり、発光した光が前記ｎ型クラッド層側から出射することを第１の特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係る窒化物半導体発光素子は、上記第１の特徴に加えて、前記ｐ型クラッド層の前記活性層とは反対側の全面または一部に、ＡｌＮ組成比１０％以下のｐ型ＡｌＧａＮまたは同等のバンドギャップエネルギを有するｐ型ＡｌＧａＩｎＮからなる膜厚５０ｎｍ以上のｐ型コンタクト層を備えてなることを第２の特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係る窒化物半導体発光素子は、上記第１または第２の特徴に加えて、前記ｎ型クラッド層が、ＡｌＮ組成比２５％以上のｎ型ＡｌＧａＮまたは同等のバンドギャップエネルギを有するｎ型ＡｌＧａＩｎＮまたはｎ型の超格子構造多層膜であり、前記ｐ型クラッド層が、前記活性層より高バンドギャップエネルギで、ＡｌＮ組成比２５％以上のｐ型ＡｌＧａＮまたは同等のバンドギャップエネルギを有するｐ型ＡｌＧａＩｎＮまたはｐ型の超格子構造多層膜であることを第３の特徴とする。
【００１４】
また、本発明に係る窒化物半導体発光素子は、上記第３の特徴に加えて、前記活性層と前記ｎ型クラッド層の間にｎ型電子バリア層を備え、前記ｎ型電子バリア層のバンドギャップエネルギが、前記ｎ型クラッド層のバンドギャップエネルギより高いことを第４の特徴とする。
【００１５】
また、本発明に係る窒化物半導体発光素子は、上記第３または第４の特徴に加えて、前記活性層と前記ｐ型クラッド層の間にｐ型電子バリア層を備え、前記ｐ型電子バリア層のバンドギャップエネルギが、前記ｐ型クラッド層のバンドギャップエネルギより高いことを第５の特徴とする。
【００１６】
また、本発明に係る窒化物半導体発光素子は、上記何れかの特徴に加えて、前記ｎ型コンタクト層がｎ型ＧａＮからなることを第６の特徴とする。
【００１７】
また、本発明に係る窒化物半導体発光素子は、上記何れかの特徴に加えて、前記ｎ型コンタクト層のバンドギャップエネルギがＡｌＮ組成比１０％のｎ型ＡｌＧａＮのバンドギャップエネルギより低い場合、膜厚が２５ｎｍ以下であることを第７の特徴とする。
【００１８】
また、本発明に係る窒化物半導体発光素子は、上記何れかの特徴に加えて、前記ｎ型コンタクト層の一部に開口部を設けてあることを第８の特徴とする。
【００１９】
また、本発明に係る窒化物半導体発光素子は、上記第８の特徴に加えて、前記ｎ型コンタクト層の前記開口部は、前記ｎ型コンタクト層の一部をドライエッチングにより除去して形成されていることを第９の特徴とする。
【００２０】
また、本発明に係る窒化物半導体発光素子は、上記第８の特徴に加えて、前記開口部を有する前記ｎ型コンタクト層は、前記ｎ型クラッド層上に形成された誘電体膜の前記開口部以外の部分を除去してパターニングし、前記パターニング後の前記誘電体膜をマスクパターンとして前記ｎ型クラッド層上に選択成長により形成されていることを第１０の特徴とする。
【００２１】
また、本発明に係る窒化物半導体発光素子は、上記何れかの特徴に加えて、前記ｎ型コンタクト層は、前記ｎ型クラッド層の前記活性層とは反対側の一部であって、前記ｎ型クラッド層の発光した光を出射する領域の周囲に形成されていることを第１１の特徴とする。
【００２２】
また、本発明に係る窒化物半導体発光素子は、上記何れかの特徴に加えて、前記活性層、前記ｎ型クラッド層、及び、前記ｎ型コンタクト層は、前記ｐ型クラッド層を含むｐ型ＧａＮ系窒化物半導体が単結晶基板上に成長させた後に、一旦反応室内から取り出して、前記反応室及び前記反応室に至る配管内に残留する前記ｐ型ＧａＮ系窒化物半導体の形成に使用されたｐ型不純物を除去してから再成長され形成されていることを第１２の特徴とする。
【００２３】
上記各特徴の窒化物半導体発光素子によれば、発光した光がｐ型クラッド層を通過せずにｎ型クラッド層から出射するため、ｐ型クラッド層側から出射する場合におけるｐ型コンタクト層での吸収損失、オーミック接触困難、高抵抗化に関連する問題点が全て解消される。また、ｎ型クラッド層に加えてｎ型コンタクト層を設けることで、ｎ型クラッド層のＡｌＮ組成比が例えば２５％を超えて高くなり高抵抗化しても、ｎ型コンタクト層のＡｌＮ組成比を２０％以下とすることで低抵抗を維持できる。ここで、ｎ型コンタクト層のＡｌＮ組成比が活性層より低いため発光した光の吸収がｎ型コンタクト層において生じるが、ｐ型コンタクト層と比較して低抵抗であるため、膜厚を５０ｎｍ以下に薄くしても、ｐ型コンタクト層より低抵抗を維持できる。この結果、ある程度の吸収損失を許容しつつ、その吸収損失を抑制することができ、更に、ｎ型クラッド層とｎ型コンタクト層全体での抵抗を低くできる。従って、ｎ型クラッド層のＡｌＮ組成比を高めに設定可能なため、活性層のバンドギャップエネルギをＡｌＮ組成比２０％のＡｌＧａＮ以上に設定可能となり、発光波長の短波長化が可能となる。
【００２４】
更に、上記第２の特徴の窒化物半導体発光素子によれば、ｐ型電極と良好なオーミック接触可能で且つ低抵抗のｐ型コンタクト層が得られる。これにより、窒化物半導体発光素子のｐ型及びｎ型電極に寄生する抵抗を低減でき、通電時の発熱を抑制できる。
【００２５】
更に、上記第３乃至第５の何れかの特徴の窒化物半導体発光素子によれば、活性層にダブルへテロ接合が形成され、活性層への電子及びホールの注入効率が改善し高輝度化が図れる。
【００２６】
更に、上記第６の特徴の窒化物半導体発光素子によれば、ｎ型コンタクト層の低抵抗化が図れ、上記第７の特徴の窒化物半導体発光素子によれば、ｎ型コンタクト層の抵抗率を低くして膜厚を薄くすることで、低抵抗を維持してｎ型コンタクト層での出射光の吸収を更に抑制できる。
【００２７】
更に、上記第８乃至第１１の何れかの特徴の窒化物半導体発光素子によれば、ｎ型コンタクト層の一部が開口することで、ｎ型コンタクト層での吸収損失を低減できる。
【００２８】
更に、上記第１２の特徴の窒化物半導体発光素子によれば、ｐ型ＧａＮ系窒化物半導体形成時のＭｇ等の残留ｐ型不純物の影響を排除して、良質の活性層、ｎ型クラッド層、及び、ｎ型コンタクト層のＧａＮ系窒化物半導体を成長できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明に係る窒化物半導体発光素子（以下、適宜「本発明素子」と略称する）の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００３０】
〈第１実施形態〉
図１に、本発明素子１の断面構造を示す。本実施形態における本発明素子１は、発光ダイオードとして作製される。以下、本発明素子１の構成及び作製過程について説明する。
【００３１】
本発明素子１は、単結晶基板２上に、ヘテロＥＬＯを用いて貫通転位密度を低減した下地半導体層１０を積層し、引き続き、その下地半導体層１０上に発光デバイス層２０を積層して形成される。
【００３２】
図１及び図２に示すように、下地半導体層１０は、ＺｒＢ２基板または（０００１）サファイア基板等の単結晶基板２上に、４００℃〜８００℃の温度範囲内（例えば、６１５℃）の低温でＡｌＮの低温堆積バッファ層１１と、約１０００℃でＡｌＧａＮの第１半導体層１２が、トリメチルアルミニウム（Ａｌ源）、トリメチルガリウム（Ｇａ源）、アンモニア（窒素源）などの各原料ガスを使用したＭＯＣＶＤ法（有機金属化合物気相成長法）を用いて順次形成される（図２（Ａ））。
【００３３】
引き続き、第１半導体層１２の表面に周期的ストライプ状の凹凸加工を施す（図２（Ｂ））。具体的には、４μｍ幅の凹部（窪み）１２ａと２μｍ幅の凸部１２ｂの周期的ストライプ状になるように、深さが２μｍの凹部１２ａをドライエッチング加工する。
【００３４】
引き続き、かかる凹凸加工を施した第１半導体層１２上に、周期的ストライプ（凹凸部１２ａ，１２ｂ）のエッジ部分に沿った、即ち、ストライプの長手方向と平行に延伸する傾斜面を有する垂直断面形状が山形状のシード結晶層１３が形成される（図２（Ｃ））。具体的には、トリメチルアルミニウム（Ａｌ源）、トリメチルガリウム（Ｇａ源）、アンモニア（窒素源）等の各原料ガスを使用し、更に、横方向成長加速剤としてＭｇ（マグネシウム）を供給すべく、元素濃度１０１９ｃｍ−３以上となる流量で（ＥｔＣｐ）２Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルジエチルマグネシウム）ガスを流しながら、ＭＯＣＶＤ法で、主として凸部１２ｂの上部からＡｌＧａＮの選択成長（ＥＬＯ成長）を９００℃〜１１００℃の温度範囲内（例えば、約１０５０℃）で行い、ＡｌＮ組成比２０％のＡｌＧａＮのシード結晶層１３が形成される（図２（Ｃ））。ここで、シード結晶層１３はＧａＮを主とするシード結晶層であっても構わない。この場合は、トリメチルアルミニウム（Ａｌ源）は供給されない。
【００３５】
引き続き、シード結晶層１３上に、４００℃〜９００℃の温度範囲内（例えば、６１５℃）の低温で、膜厚２０ｎｍのＡｌＮの低温堆積バッファ層１４が、トリメチルアルミニウム（Ａｌ源）、アンモニア（窒素源）等の各原料ガスを使用したＭＯＣＶＤ法を用いて形成される（図２（Ｄ））。
【００３６】
引き続き、Ａｌ、Ｇａ、Ｎの原料として上記の各原料ガスを使用し、更に、横方向成長加速剤としてＭｇ（マグネシウム）を供給すべく、元素濃度１０１９ｃｍ−３以上（例えば１０２０ｃｍ−３）となる流量で（ＥｔＣｐ）２Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルジエチルマグネシウム）ガスを流しながらＭＯＣＶＤ法で、低温堆積バッファ層１４上に、ＡｌＧａＮ層１５が約１０５０℃以上（例えば、１１５０℃）の成長温度で形成される（図２（Ｅ））。ＡｌＧａＮ層１５の膜厚は約１０μｍである。本実施形態では、Ｍｇを供給しながらＡｌＧａＮ層１５を成長させるので、横方向（ａ軸方向）の成長が加速されるため、高ＡｌＮ組成比とＡｌＧａＮ層１５の平坦化時間の短縮が同時に実現できる。尚、本実施形態では、ＡｌＧａＮ層１５は、Ｍｇがｐ型不純物としてドープされるためｐ型ＡｌＧａＮ層として形成され、ＡｌＮ組成比を１０％以下とすることで、本来は発光デバイス層２０内に形成されるｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層として機能する。
【００３７】
上記要領で形成された下地半導体層１０では、シード結晶層１３を貫通する転位が横方向に成長して、ＡｌＧａＮ層１５内のシード結晶層１３の頂点間の中央付近に集中して貫通転位密度が低減される。
【００３８】
図１に示すように、低転位化された下地半導体層部１０上に、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２１、ｐ型ＡｌＧａＮ電子バリア層２２、ｉ型ＡｌＧａＮ活性層２３、ｎ型ＡｌＧａＮ電子バリア層２４、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２５、及び、ｎ型ＡｌＧａＮコンタクト層２６を順次積層して発光デバイス層２０を形成する。下地半導体層１０の低転位化により、その上に成長される発光デバイス層２０の結晶品質を良好なものとすることができる。
【００３９】
ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２１は、Ａｌ、Ｇａ、Ｎの原料としてトリメチルアルミニウム（Ａｌ源）、トリメチルガリウム（Ｇａ源）、アンモニア（窒素源）等の各原料ガスを使用し、ＭＯＣＶＤ法を用いて形成される。ｐ型不純物のドーピングは、ｐ型ＡｌＧａＮ層１５（第１実施形態参照）と同じ要領で、（ＥｔＣｐ）２Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルジエチルマグネシウム）ガスを供給して行われる。本実施形態では、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２１のＡｌＮ組成比は、ｉ型ＡｌＧａＮ活性層２３のＡｌＮ組成比より高い２５％以上、例えば、２５％とする。
【００４０】
引き続き、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２１の上に、ｐ型ＡｌＧａＮ電子バリア層２２を形成する。本実施形態では、ｐ型ＡｌＧａＮ電子バリア層２２のＡｌＮ組成比を、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２１より高い４０％とする。ｐ型ＡｌＧａＮ電子バリア層２２はｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２１と同じ要領で形成される。ｐ型ＡｌＧａＮ電子バリア層２２の形成後、デバイスを一旦、反応室から取り出し、反応装置の配管内壁等に残留しているＭｇを除去するためガス供給配管に水素を流しベーキングを行うクリーニング処理を実行する。
【００４１】
引き続き、ｐ型ＡｌＧａＮ電子バリア層２２の上に、ｉ型ＡｌＧａＮ活性層２３を形成する。ｉ型ＡｌＧａＮ活性層２３は、例えば、ＡｌＮ組成比１５％と２５％のｉ型ＡｌＧａＮ層を交互に６〜８層繰り返し積層した多重量子井戸（超格子構造多層膜）として形成される。各ｉ型ＡｌＧａＮ層は、Ａｌ、Ｇａ、Ｎの原料として上記の各原料ガスを使用し、ＭＯＣＶＤ法を用いて形成される。ｉ型ＡｌＧａＮ活性層２３の実効的なＡｌＮ組成比は２０％以上（例えば、２０％）とし、多重量子井戸の各ｉ型ＡｌＧａＮ層のＡｌＮ組成比と膜厚比で調整される。
【００４２】
次に、ｉ型ＡｌＧａＮ活性層２３上に、ｎ型ＡｌＧａＮ電子バリア層２４を形成する。ｎ型ＡｌＧａＮ電子バリア層２４は、Ａｌ、Ｇａ、Ｎの原料として上記の各原料ガスを使用し、ｎ型不純物の原料ガスとして、ＳｉＨ４ガスを流しながら、Ｓｉを注入したｎ型ＡｌＧａＮ層を成長させる。本実施形態では、ｎ型ＡｌＧａＮ電子バリア層２４のＡｌＮ組成比を、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２５より高い４０％とする。
【００４３】
引き続き、ｎ型ＡｌＧａＮ電子バリア層２４の上にｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２５を形成する。ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２５は、ｎ型ＡｌＧａＮ電子バリア層２４と同じ要領で形成される。本実施形態では、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２５のＡｌＮ組成比を、ｉ型ＡｌＧａＮ活性層２３より高い２５％以上、例えば、２５％とする。
【００４４】
引き続き、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２５の上にＡｌＮ組成比２０％以下のｎ型ＡｌＧａＮからなるｎ型コンタクト層２６を形成する。ｎ型コンタクト層２６は、ｎ型ＡｌＧａＮ電子バリア層２４と同じ要領で形成される。ｎ型コンタクト層２６の膜厚は５０ｎｍ以下とする。尚、本実施形態では、ｎ型コンタクト層２６のＡｌＮ組成比を１０％以下（例えば、ｎ型ＧａＮ）とし、膜厚を２５ｎｍ以下、例えば、２５ｎｍとする。
【００４５】
発光デバイス層２０が基板全面に積層形成された後、下地半導体層部１０のｐ型ＡｌＧａＮ層１５の表面が部分的に露出するように発光デバイス層２０の一部を反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）または高周波誘導プラズマ（ＩＣＰ）等のドライエッチングによりエッチング除去して、基板２に対して垂直な断面においてメサ状に加工する。
【００４６】
引き続き、ｐ型コンタクト層として機能する下地半導体層部１０のｐ型ＡｌＧａＮ層１５上に、ｐ型電極２７が形成され、ｎ型コンタクト層２６上にはｎ型電極２８が形成される。尚、ｐ型電極２７及びｎ型電極２８は、夫々ｐ型ＡｌＧａＮ層１５及びｎ型コンタクト層２６との間の電気的接合がオーミックなものとなるオーミック電極である。ここで、ｐ型電極２７及びｎ型電極２８は、夫々の極性に応じてＡｌ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｔｉ等の公知の材料を公知の方法で作製すればよい。例えば、ｐ型電極２７として、第１層にＮｉ（ニッケル）、第２層にＡｕ（金）を夫々１０ｎｍと１００ｎｍの膜厚で電子ビーム蒸着し、所定の平面形状にパターニングする。また、ｎ型電極２８として、Ｔｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕの多層膜を２０ｎｍ／１００ｎｍ／１０ｎｍ／１００ｎｍの膜厚で電子ビーム蒸着し、所定の平面形状にパターニングする。尚、ｎ型電極２８は、ｎ型電極２８を通して出射光を発光デバイス層２０へ導く必要があるため、光を透過させるために、メッシュ状または光を透過させる他の形状、配置または素材で形成される。
【００４７】
図１に示した本発明素子１において、ｐ型電極２７とｎ型電極２８の間に電圧を印加して電流を流すことにより、ｉ型ＡｌＧａＮ活性層２３に電子及び正孔が注入され、ｉ型ＡｌＧａＮ活性層２３のＡｌＮ組成比で決定されるバンドギャップエネルギに相当する波長の光が放出される。本実施形態では、発光デバイス層２０が、低転位化された下地半導体層部１０上に形成されているため、非発光再結合が抑制され高い量子効率が得られる。
【００４８】
〈第２実施形態〉
図３に、本発明素子３の第２実施形態の断面構造を示す。本実施形態における本発明素子３は発光素子（発光ダイオード）として作製される。以下、本発明素子３の構成及び作製過程について説明する。
【００４９】
本発明素子３は、ＺｒＢ２基板または（０００１）サファイア基板等の単結晶基板２上に、ヘテロＥＬＯを用いて貫通転位密度を低減した下地半導体層１０を積層し、引き続き、その下地半導体層１０上に発光デバイス層２０を積層して形成される。
【００５０】
下地半導体層１０の構成は、ｐ型ＡｌＧａＮ層１５のＡｌＮ組成比を除いて第１実施形態と同様であるので、重複する説明は省略する。本実施形態では、ｐ型ＡｌＧａＮ層１５は、ｐ型コンタクト層として使用しないため、ＡｌＮ組成比は１０％以下とせずに、発光デバイス層２０内のｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２１のＡｌＮ組成比と同じか近い値に設定する。
【００５１】
図３に示すように、低転位化された下地半導体層部１０上に、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２１、ｐ型ＡｌＧａＮ電子バリア層２２、ｉ型ＡｌＧａＮ活性層２３、ｎ型ＡｌＧａＮ電子バリア層２４、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２５、及び、ｎ型ＡｌＧａＮコンタクト層２６を順次積層して発光デバイス層２０を形成する。下地半導体層１０の低転位化により、その上に成長される発光デバイス層２０の結晶品質を良好なものとすることができる。
【００５２】
発光デバイス層２０の構成は、ｎ型ＡｌＧａＮコンタクト層２６の形状を除いて第１実施形態と同様であるので、重複する説明は省略する。
【００５３】
第１実施形態と同じ要領で、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２１からｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２５までの各層を形成する。引き続き、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２５の上全面にＡｌＮ組成比２０％以下のｎ型ＡｌＧａＮからなるｎ型コンタクト層２６を形成する。ｎ型コンタクト層２６は、ｎ型ＡｌＧａＮ電子バリア層２４と同じ要領で形成される。ｎ型コンタクト層２６の膜厚は５０ｎｍ以下とする。尚、本実施形態では、ｎ型コンタクト層２６のＡｌＮ組成比を１０％以下（例えば、ｎ型ＧａＮ）とするが、以下の要領で開口部４６ａを設けるため、膜厚は５０ｎｍとする。引き続き、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２５の上全面に形成されたｎ型コンタクト層２６を、光の出射領域の一部をメッシュ状に開口するために部分的にドライエッチングによりエッチング除去し、開口部４６ａを形成する。
【００５４】
次に、図４（Ａ），（Ｂ）に示すように、発光デバイス層２０が基板全面に積層形成された後、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２１が部分的に露出するように発光デバイス層２０の一部を反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）または高周波誘導プラズマ（ＩＣＰ）等のドライエッチングによりエッチング除去して、基板２に対して垂直な断面においてメサ状に加工する。
【００５５】
次に、図４（Ｃ）に示すように、基板全面にＳｉＯ２またはＳｉ３Ｎ４等の誘電体膜３０を、例えば反応性スパッタリングにより堆積する。引き続き、図４（Ｄ）に示すように、堆積した誘電体膜３０の露出したｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２１上に位置する一部をエッチング除去して開口部３１を形成する。引き続き、図４（Ｅ）に示すように、Ａｌを含まないｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層３２を、Ｇａ、Ｎの原料として上記の各原料ガスを使用し、更に、キャリア濃度５×１０１７ｃｍ−３以上となる流量で（ＥｔＣｐ）２Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルジエチルマグネシウム）ガスを供給して、誘電体膜３０の開口部３１から選択的に、ＭＯＣＶＤ法により再成長させる。図４（Ｆ）に示すように、ｐ型コンタクト層３２の成長後に、誘電体膜３０をリフトオフにより除去する。
【００５６】
引き続き、図４（Ｇ）に示すように、ｐ型コンタクト層３２上に、ｐ型電極２７が形成され、ｎ型コンタクト層２６上にはｎ型電極２８が形成される。尚、ｐ型電極２７及びｎ型電極２８は、第１実施形態と同じ材料及び構造のものが形成される。
【００５７】
以下に、別の実施形態につき説明する。
【００５８】
〈１〉上記第２実施形態では、ｎ型コンタクト層２６に開口部４６ａを形成するのに、
ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２５の上全面に形成されたｎ型コンタクト層２６の光の出射領域の一部をドライエッチングによりメッシュ状に開口したが、選択成長により開口部４６ａを有するｎ型コンタクト層２６をｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２５上に形成しても構わない。具体的には、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２５の上にＳｉＯ２またはＳｉ３Ｎ４等の誘電体膜を反応性スパッタリング等により堆積し、開口部４６ａに該当する部分を残してエッチング除去してパターニングし、パターニング後の誘電体膜をマスクパターンとして例えばｎ型ＧａＮを選択成長させる。その後、マスクパターンである誘電体膜をリフトオフ等により除去する。
【００５９】
また、ｎ型コンタクト層２６に開口部４６ａの平面形状は、必ずしもメッシュ状に限定されるものではない。また、開口部４６ａを光の出射領域に設け、ｎ型コンタクト層２６を該出射領域の周囲に配置するようにしても構わない。
【００６０】
〈２〉上記各実施形態では、本発明素子１，３の発光デバイス層２０に用いるＧａＮ系窒化物半導体層として、ＡｌＧａＮまたはＧａＮを成長させる場合を説明したが、更に、Ｉｎを含むＡｌＧａＩｎＮまたはＧａＩｎＮを成長させても構わない。Ｉｎを含めることにより、バンドギャップエネルギ及び格子定数が変化するが、同じバンドギャップエネルギとなるようにＡｌＮ組成比を調整すればよい。
【００６１】
〈３〉上記各実施形態では、本発明素子１，３の発光デバイス層２０に用いるＧａＮ系窒化物半導体層を、一部をバルク単結晶、他の一部を超格子構造多層膜（多重量子井戸構造）で構成したが、バルク単結晶で構成したＧａＮ系窒化物半導体層を超格子構造多層膜で構成し、超格子構造多層膜で構成したＧａＮ系窒化物半導体層をバルク単結晶で構成しても構わない。
【００６２】
〈４〉上記第２実施形態では、ｐ型コンタクト層３２を再成長するに当たり、Ａｌを含まないｐ型ＧａＮを誘電体膜３０の開口部３１から選択的に成長させたが、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２１よりＡｌＮ組成比の低い、例えば、１０％未満のｐ型ＡｌＧａＮを成長させても構わない。この場合、ｐ型コンタクト層３２は、誘電体膜３０の表面にも成長する。そこで、ｐ型コンタクト層３２の膜厚を誘電体膜３０の膜厚より薄く成膜することにより、誘電体膜３０をリフトオフにより除去する際に、その上に成長した余分なｐ型コンタクト層３３を同時に除去することができる。
【００６３】
〈５〉本発明素子１，３の下地半導体層１０は、必ずしも上記各実施形態に例示した結晶改善層と同様の構造に限定されない。また、下地半導体層１０を成長させる単結晶基板２として、ＺｒＢ２基板または（０００１）サファイア基板の使用を想定したが、基板２はこれらに限定されるものではなく、他の面方位のサファイア基板、或いは、ＳｉＣ、Ｓｉ等の他の単結晶基板を用いても構わない。
【００６４】
〈６〉上記各実施形態では、下地半導体層１０上に発光デバイス層２０を、基板２側から、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２１、ｐ型ＡｌＧａＮ電子バリア層２２、ｉ型ＡｌＧａＮ活性層２３、ｎ型ＡｌＧａＮ電子バリア層２４、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２５、及び、ｎ型ＡｌＧａＮコンタクト層２６の順に形成したが、下地半導体層１０のＡｌＧａＮ層１５をｎ型ＡｌＧａＮ層とし、その上に、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、ｎ型ＡｌＧａＮ電子バリア層、ｉ型ＡｌＧａＮ活性層、ｐ型ＡｌＧａＮ電子バリア層、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、及び、ｐ型コンタクト層を、上記各実施形態とは逆順に積層して発光デバイス層を形成した後に、基板２と下地半導体層１０をエッチング除去し、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層を露出させ、その全面に膜厚５０ｎｍ以下のＡｌＮ組成比２０％以下のｎ型コンタクト層を再成長させるようにしても構わない。
【００６５】
〈７〉上記各実施形態において例示した、各層の膜厚、成長温度、使用原料、材料、ＡｌＮ組成比は、あくまでも一例であり、本発明の技術思想の範囲内において適宜変更可能である。また、各ＧａＮ系窒化物半導体層は、ＭＯＣＶＤ法を用いたが、一部または全部を他の成膜方法を用いて形成しても構わない。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明に係る窒化物半導体発光素子は、紫外線発光ダイオードに適用できる。特に、本発明は紫外線発光ダイオードの発光波長の短波長化に寄与する。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明に係る窒化物半導体発光素子の第１実施形態における概略構造を模式的に示す素子断面図
【図２】本発明に係る窒化物半導体発光素子の下地半導体層の作製過程を示す素子断面図
【図３】本発明に係る窒化物半導体発光素子の第２実施形態における概略構造を模式的に示す素子断面図
【図４】本発明に係る窒化物半導体発光素子の第２実施形態におけるｐ型コンタクト層及びｐ型電極の作製過程を示す素子断面図
【図５】従来のＰＩＮ接合構造のＧａＮ系窒化物半導体多層膜を備えた発光素子の概略構造を模式的に示す素子断面図
【符号の説明】
【００６８】
１，３：  本発明に係る窒化物半導体発光素子
２：      単結晶基板
１０：    下地半導体層（結晶改善層）
１１：    低温堆積バッファ層
１２：    第１半導体層
１２ａ：  第１半導体層表面の凹部
１２ｂ：  第１半導体層表面の凸部
１３：    シード結晶層
１４：    低温堆積バッファ層
１５：    ＡｌＧａＮ層（下地半導体層）
２０：    発光デバイス層
２１：    ｐ型クラッド層
２２：    ｐ型電子バリア層
２３：    活性層
２４：    ｎ型電子バリア層
２５：    ｎ型クラッド層
２６：    ｎ型コンタクト層
２７：    ｐ型電極
２８：    ｎ型電極
３０：    誘電体膜
３１：    開口部
３２：    ｐ型コンタクト層
４０：    下地半導体層（結晶改善層）
４１：    ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
４２：    ｎ型ＡｌＧａＮ電子バリア層
４３：    ＧａＮ活性層
４４：    ｐ型電子バリア層
４５：    ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
４６：    ｐ型ＧａＮコンタクト層
４７：    ｐ型電極
４８：    ｎ型電極
【図１】
2006245162.tif 000003
【図２】
2006245162.tif 000004
【図３】
2006245162.tif 000005
【図４】
2006245162.tif 000006
【図５】
2006245162.tif 000007